汽车钢板弹簧的设计课设说明书.doc

中北大学2012届本科课程设计说明书
目录
1. 绪论———————————————————————————————1
2. 悬架主要参数的确定————————————————————————3
3. 钢板弹簧参数确定—————————————————————————5
3.1钢板弹簧的布置方案——————————————————————5
3.2板断面尺寸及片数的确定————————————————————6
3.3确定各片钢板弹簧的长度————————————————————6
4. 校核———————————————————————————————8
4.1钢板弹簧的刚度验算——————————————————————8
4.2状态下的弧高及曲率半径计算———————————----————11
4.2.1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高————————————12
4.2.2钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定———————————12
4.3钢板弹簧总成弧高的核算—————————-—————————14
4.4钢板弹簧的强度验算—————————————————————15
4.5钢板弹簧卷耳内径的确定———————————————————16
4.6设计结果——————————————————————————17
5. 总结——————————————————————————————18
6. 参考文献————————————————————————————19

1 绪 论
悬架是汽车的车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称。它的作用是弹性地连接车桥和车架，缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适，使汽车在行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递垂直反力，纵向反力和侧向反力以及这些力所造成的力矩，以保证汽车行驶平顺；并且当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。
悬架是汽车中的一个重要组成部分，它把车架与车轮弹性地连接起来，关系到汽车的多种使用性能。悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。
现代汽车悬架的发展迅速，不断出现崭新的悬架装置。按控制形式不同分为被动式悬架和主动式悬架。目前多数汽车上都采用被动悬架，汽车姿态只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。20世纪80年代以来主动悬架开始在一部分汽车上应用，并且目前还在进一步研究和开发中。主动悬架可以能动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼.
现代汽车对平顺性和操纵稳定性和舒适性的要求越来越高，已成为衡量汽车性能好坏的标准。
悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。由此可见悬架系统在现代汽车上是重要的组成之一。
汽车的固有频率是衡量汽车平顺性的重要参数，它由悬架刚度和簧载质量所决定。人体所习惯的垂直振动频率约为1～1.6Hz。车身振动的固有频率应接近或处于人体适应的频率范围，才能满足舒适性要求。在悬架垂直载荷一定时，悬架刚度越小，固有频率就越低，但悬架刚度越小，载荷一定时悬架垂直变形就越大。这样若没有足够大的限位行程，就可能会撞击限位块。若固有频率选取过低，很可能会出现制动点头，转弯侧倾角大，空载和满载车身高度变化过大。一般货车固有频率是1.5～2Hz，旅行客车1.2～1.8Hz，高级轿车1～1.3Hz。另外，当悬架刚度一定时，簧载质量越大，悬架垂直变形也越大，而固有频率越低。空车时的固有频率要比满载时的高。簧载质量变化范围大，固有频率变化范围也大。为了使空载和满载固有频率保持一定或很小变化，需要把悬架刚度做成可变或可调的。影响汽车平顺性的另一个悬架指标是簧载质量。簧载质量分为簧上质量与簧下质量两部分，由弹性元件承载的部分质量，如车身、车架及其它所有弹簧以上的部件和载荷属于簧上质量m。车轮、非独立悬架的车轴等属于簧下质量，也叫非簧载质量M。如果减小非簧载质量可使车身振动频率降低，而车轮振动频率升高，这对减少共振，改善汽车的平顺性是有利的。非簧载质量对平顺性的影响，常用非簧载质量和簧载质量之比m/M进行评价。
影响汽车平顺性的另一重要指标是阻尼比，此值取大，能使振动迅速衰减，但会把路面较大的冲击传递到车身，值取小，振动衰减慢，受冲击后振动持续时间长，使乘客感到不舒服。为充分发挥弹簧在压缩行程中作用，常把压缩行程的阻尼比设计得比伸张小。悬架的侧倾角刚度及前后匹配是影响汽车操纵稳定性的重要参数。当汽车受侧向力作用发生车身侧倾，若侧倾角过大，乘客会感到不安全，不舒适，如侧倾角过小，车身受到横向冲击较大，乘客也会感到不适，司机路感不好。所以，整车侧倾角刚度应满足：当车身受到0.4g侧向加速度时，其侧倾角在2.5°～4°范围内，汽车有一定不足转向特性，前悬架侧倾角刚度应大于后悬架侧倾角刚度。一般前悬架侧倾角刚度与后悬架侧倾角刚度比应在1.4～2.6范围内，如前后悬架本身不能满足上述要求，可在前后悬架中加装横向稳定杆，提高汽车操纵稳定性。

2、钢板弹簧参数的确定
表2-1条件参数
名 称
数 值
备 注
总重
G=9996N
G=1020×9.8N
自重
G0=3822 N
G=390×9.8N
空车轴载荷
G01=2102.1N G02=1719.9N

满载轴载荷
G1=3498.6N G2=6497.4N

非簧载质量
=382.2 N =573.3 N

轴距
(L)=2070mm

满载时偏颇
n1=1.50～2.10Hz n2=1.70～2.17Hz

钢板弹簧长
L1=0.3×2070=621mm L2=0.40×2070=828mm
L1=(0.26～035) 轴距 L2=(0.35～0.45) 轴距

选材

60Si2Mn
弹性模量 E=
挠度
Fd=60～90mm
fc1=86.5mm fc2=69.3mm
(n1=1.70,n2=1.90)
U型螺栓中心距
S1=62mm S2=83mm
S=8～15%L
3、钢板弹簧参数确定
3.1钢板弹簧的布置方案
钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在极少数汽车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。
纵置钢板弹簧又有对称式与不对称式之分。钢板弹簧中部在车轴上的固定中心至钢板弹簧两端卷耳中心之间的距离若相等，则称为对称式钢板弹簧；若不相等，则称为不对称式钢板弹簧。多数情况下，汽车采用对称式钢板弹簧。
本设计我们采用：纵置对称式

3.2确定断面尺寸及片数
有关钢板弹簧 的刚度、强度等，可按等截面简支梁的计算公式计算，但需引入挠度增大系数δ加以修正。因此，可根据修正后的简支梁公式计算钢板弹簧所需要的总惯性矩。对于对称钢板弹簧：
式3-1
式中，s为U形螺栓中心距（mm）；k为考虑U形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数（如刚性夹紧，取k=0.5，挠性夹紧，取k=0）；c为钢板弹簧垂直刚度（N/mm），；δ为挠度增大系数（先确定与主片等长的重叠片数，再估计一个总片数,求得，然后用初定δ）E为材料的弹性模量。
其中， ， 取，则，
Fw1=(G1-Ga)/2=1558.2N Fw2=(G2-Gb)/2=2962.05N 取k=0.5
则 带入数据得 C1=18mm C2=42.7mm

其代入求得:；
； 式3-2
W01=1558.2 (621-0.562)/(4400)=574.6
W02=2962.05 (828-0.583)/(4500)=1164.8
初取

取b=9 b1=15.57mm b2=43.2mm
我们选用矩形断面8片钢板，则
代入数据得 h1=3.63mm h2=4.6mm
片宽b对汽车性能的影响：
1）.增大片宽，能增加卷耳强度，但当车身受侧向力作用倾斜时，弹簧的扭曲应力增大。
2）.前悬架用宽的弹簧片，会影响转向轮的最大转角。片宽选取过窄，又得增加片数，从而增加片间的摩擦弹簧的总厚
3）.推荐片宽与片厚的比值b/在6～10范围内选取。
查表：b和h应符合国产型材规格尺寸，选取b1=16mm b2=45mm
h1=4mm h2=5mm
3.3确定各片钢板弹簧的长度
应尽可能将钢板弹簧取长些,原因如下：
1,增加钢板弹簧长度L能显著降低弹簧应力，提高使用寿命降低弹簧刚度，改善汽车平顺性。
2,在垂直刚度c给定的条件下，又能明显增加钢板弹簧的纵向角刚度。
3,刚板弹簧的纵向角刚度系指钢板弹簧产生单位纵向转角时，作用到钢板弹簧上的纵向力矩值。
4,增大钢板弹簧纵向角刚度的同时，能减少车轮扭转力矩所引起的弹簧变形。
有作图法如图(3-1)、(3-2)

前弹簧:=621(单位:mm)

图3-1

前弹簧各片弹簧长度
表3-2：各片弹簧长度 mm
序列号
单边L/2
取整
圆整
双边L
1
310.5
311
315
630
2
310.5
311
315
630
3
275.56
276
280
560
4
240.63
241
245
490
5
205.69
206
210
420
6
170.75
171
175
350
7
135.81
136
140
280
8
100.88
101
105
210

后弹簧:L1=L2=828mm

图2-2

后钢板弹簧各片钢板长度
表3-3 mm
序列号
单边L/2
取整
圆整
双边L
1
414
414
415
830
2
414
414
415
830
3
320.88
321
325
650
4
274.31
274
275
550
5
227.75
228
230
460
6
181.19
181
185
370
7
134.63
135
135
270
8
88.06
88
90
180

4 校 核
4.1、钢板弹簧的刚度验算
在此之前，有关挠度增大系数、总惯性矩、片长和叶片端部形状等的确定都不够准确，所以有必要验算刚度。用共同曲率法计算刚度的前提是，假定同一截面上各片曲率变化值相同，各片所承受的弯矩正比于其惯性矩，同时该截面上各片的弯矩和等于外力所引起的弯矩。刚度验算公式为
(3-1)
其中，；；。
式中，为经验修正系数，＝0.90～0.94；E为材料弹性模量；、为主片和第()片的一半长度。
前钢板弹簧：则当, k=1， =0
k=2， =315-280=35mm
k=3， =315-245=70mm
k=4， =315-210=105mm
k=5， =315-175=140mm
k=6， =315-140=175mm
k=7, =315-105=210mm
k=8, =315-0=315mm
其中： -==
当k=1，
k=2，
k=3，
k=4，
k=5，
k=6，
k=7，
k=8，
代入数据可得：=50518.6
取=0.93
因此， （符合）
后钢板弹簧：则当, k=1， =0
k=2， =415-325=90mm
k=3， =415-275=140mm
k=4， =415-230=185mm
k=5， =415-185=230mm
k=6， =415-135=280mm
k=7, =415-90=325mm
k=8, =415-0=415mm
其中：
-==
当k=1，
k=2，
k=3，
k=4，
k=5，
k=6，
k=7，
k=8，
代入数据可得： =23008
取=0.93
因此， （符合）
4.2钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算
4.2.1.钢板弹簧总成在自由状态下的弧高
钢板弹簧各片装配后，在预压缩和U形螺栓夹紧前，其主片上表面与两端(不包括卷耳孔半径)连线间的最大高度差，称为钢板弹簧总成在自由状态下的弧高，用下式计算
式4-2
式中，为静挠度；为满载弧高；为钢板弹簧总成用U形螺栓夹紧后引起的弧高变化，；s为U形螺栓中心距；L为钢板弹簧主片长度。钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径。
取=15 ， 则
前弹簧：

=86.5+15+14.69=116.19
因此， =6212/（8116.19）=414.88mm
后弹簧：

=69.3+15+12.25=96.55mm
因此,=8282/（896.55）=887.6mm
4.2.2.钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定
因钢板弹簧各片在自由状态下和装配后的曲率半径不同(图4-1)，装配后各片产生预应力，其值确定了自由状态下的曲率半径各片自由状态下做成不同曲率半径的目的是：使各片厚度相同的钢板弹簧装配后能很好地贴紧，减少主片工作应力，使各片寿命接近。

图4-1 钢板弹簧各片自由状态下的曲率半径
矩形断面钢板弹簧装配前各片曲率半径由下式确定
式4-3
式中，为第i片弹簧自由状态下的曲率半径(mm)；为钢板弹簧总成在自由状态下的曲率半径(mm)；为各片弹簧的预应力(N／)；正为材料弹性模量(N／)。
在已知钢板弹簧总成自由状态下曲率半径和各片弹簧预加应力的条件下，可以用式(3-3)计算出各片弹簧自由状态下的曲率半径。选取各片弹簧预应力时，要求做到：装配前各片弹簧片间间隙相差不大，且装配后各片能很好贴和；为保证主片及与其相邻的长片有足够的使用寿命，应适当降低主片及与其相邻的长片的应力。
为此，选取各片预应力时，可分为下列两种情况：对于片厚相同的钢板弹簧，各片预应力值不宜选取过大。推荐主片在根部的工作应力与预应力叠加后的合成应力在300～350N／内选取。1～4片长片叠加负的预应力，短片叠加正的预应力。预应力从长片到短片由负值逐渐递增至正值。
在确定各片预应力时，理论上应满足各片弹簧在根部处预应力所造成的弯矩之代数和等于零，即
或 式4-4
因此取各片预应力
前弹簧：

得： =608.97mm
同理：=600.26mm =591.81mm =570.56mm
=567.80mm =560.23mm =552.86mm
=547.67mm
如果第i片的片长为，则第i片弹簧的弧高为
式4-5
则，

后弹簧：

得： =1311.61mm
同理：=1260.11mm =1212.47mm =1154.30mm
=1127.26mm =1101.46mm =1076.81mm
=1042.93mm
则，

4.3、钢板弹簧总成弧高的核算
由于钢板弹簧叶片在自由状态下的曲率半径Ri是经选取预应力后用式(3-3)计算，受其影响，装配后钢板弹簧总成的弧高与用式计算的结果会不同。因此，需要核算钢板弹簧总成的弧高。
根据最小势能原理，钢板弹簧总成的稳定平衡状态是各片势能总和最小状态，由此可求得等厚叶片弹簧的R0为:
式4-6
式中，为钢板弹簧第i片长度。其中，
前钢板：
=++++++ +
=630+630+560+490+420+350+280+210=3570mm
因此，=， 得，=438.57 mm≈414.88 mm=R0（符合）
钢板弹簧总成弧高为
==H0 （符合）
后钢板:
=++++++
+
=830+830+650+550+460+370+270+180=4140mm
因此，=， 得，=940.9 mm≈887.6mm=R0（符合）
钢板弹簧总成弧高为
==H0 （符合）
4.4、钢板弹簧的强度验算
(1)紧急制动时，前钢板弹簧承受的载荷最大，在它的后半段出现的最大应力用下式计算
式4-7
式中，为作用在前轮上的垂直静负荷；为制动时前轴负荷转移系数，轿车：＝1.2～1.4，货车：＝1.4～1.6；、为钢板弹簧前、后段长度；为道路附着系数，取0.8；为钢板弹簧总截面系数；c为弹簧固定点到路面的距离如下图。

图4-2
其中，取c=300mm， m=1.50, =0.8
=<1000 (符合)
(2)汽车驱动时，后钢板弹簧承受的载荷最大，在它的前半段出现最大应力用下式计算
式4-8
式中，G2为作用在后轮上的垂直静负荷；m；为驱动时后轴负荷转移系数，轿车：＝1.25～1.30，货车：＝1.1～1.2；为道路附着系数；b为钢板弹簧片宽；为钢板弹簧主片厚度。
其中，取=1.15 ，.
则= =992.8MPa＜1000MPa （符合）

4.5、钢板弹簧卷耳内径的确定
取路面附着系数，则的最大值为,取许用应力，则

。 式4-9
将代入上式求得。
将代入上式求得
4.6，设计结果
表4-1(前钢板弹簧)
参数

钢板
序号
长度（mm）
宽度（mm）
厚度（mm）
预应力（MPa）
自由曲率（mm）
自由高（mm）
总成曲率（mm）
总成弧高（mm）
1号
630
16
4
-40
608.97
81.47
414.88
123.5
2号
630
-30
600.26
82.65
123.5
3号
560
-20
591.81
66.24
99
4号
490
0
570.56
52.14
77.3
5号
420
10
567.80
38.83
58.2
6号
350
15
560.23
27.33
41.8
7号
280
25
552.86
17.73
28.1
8号
210
40
547.67
10.07
17.2

表4-2 （后钢板弹簧)
参数

钢板
序号
长度（mm）
宽度（mm）
厚度（mm）
预应力（MPa）
自由曲率（mm）
自由弧高（mm）
总成曲率（mm）
总成弧高（mm）
1号
830
45
5
-50
1311.61
65.65
1313.90
83.5
2号
830
-35
1260.11
68.34
83.5
3号
650
-20
1212.47
43.56
55
4号
550
0
1154.30
32.76
47.3
5号
460
10
1127.26
23.46
38.2
6号
370
20
1101.46
15.54
21.8
7号
270
30
1076.81
8.46
18.1
8号
180
45
1042.93
3.88
10.2
5、设计总结
这次设计通过传统典型部件---钢板弹簧的设计，从方案拟订到机构设计计算、制图及标准的使用等的综合训练。培养我们运用所学的理论知识进行汽车典型部件的结构分析及结构设计计算的能力，它是汽车设计教学过程中的一个重要实践环节。
通过本次课程设计，使我们能够学习正确的汽车设计的指导思想和设计原则。如在设计中体现对汽车的“好造、好用、好修、好看的省油车”的要求；深入体会汽车设计的特殊性（与其它机械产品相比较）在于使用条件的复杂、产量大、变形多；贯彻三化：产品系列化、零部件通用化和零件设计标准化等；初步了解汽车设计的步骤和方法。根据汽车设计任务书规定的整车技术参数；总布置设计，拟订技术设计任务书；根据技术设计任务书进行部件设计；部件设计论证和工艺坚定；编制有关技术文件；学习正确的绘制装配图和零件图，完整地表达出部件的结构、尺寸和技术要求；学习使用有关的资料、手册和标准。 经过一个周的努力工作，且在同学们的帮助下。终于完成了这次课程设计，通过这次课程设计不仅巩固了我们对课堂所学理论的理解，而且提高了我们的自学能力和团队合作的能力。
真心感谢两位老师这一学期对我们的悉心教导，以及给予我们的帮助！
参考文献
[1]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册.北京：人民交通出版社，2001
[2] 王望予主编.汽车设计. （第四版）[M].北京：机械工业出版社，2004
[3] 成大先主编.机械设计手册.5版.北京:化学工业出版社,2002
[4] 王丰元主编.汽车设计课程设计指导书.北京:中国电力出版社,2009
[5] 王国权主编.汽车设计课程设计指导书.北京:机械工业出版社,2010
[6] 王雪峰主编.汽车底盘设计.北京:清华大学出版社,2010
[7] 余志生主编.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009

19

课程设计答辩表
班级: 学生姓名： 学号：
题目： 吨商用车纵置钢板弹簧非独立悬架设计
指导教师成绩： 答辩成绩： 综合成绩：
存在的问题：

答辩组成员(签字)：

年 月 日